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实验二 电光调制实验


实验二、电光调制实验
[实验目的]
1. 了解电光调制的工作原理及相关特性; 2. 掌握电光晶体性能参数的测量方法;

[实验原理]
某些光学介质受到外电场作用时,它的折射率将随着外电场变化,介电系数和折射率 都与方向有关,在光学性质上变为各向异性,这就是电光效应。 电光效应有两种,一种是折射率的变化量与外电场强度的一次方成比例,称为泡克耳斯 (Pockels) 效应; 另一种是折射率的变化量与外电场强度的二次方成比例, 称为克尔 (Kerr) 效应。利用克尔效应制成的调制器,称为克尔盒,其中的光学介质为具有电光效应的液体 有机化合物。利用泡克耳斯效应制成的调制器,称为泡克耳斯盒,其中的光学介质为非中 心对称的压电晶体。泡克耳斯盒又有纵向调制器和横向调制器两种,图 2-1 是几种电光调 制器的基本结构形式。

图 2-1:几种电光调制器的基本结构形式 a) 克尔盒 b) 纵调的泡克耳斯盒 c) 横调的泡克耳斯盒 当不给克尔盒加电压时,盒中的介质是透明的,各向同性的非偏振光经过 P 后变为振 动方向平行 P 光轴的平面偏振光。通过克尔盒时不改变振动方向。到达 Q 时,因光的振动 方向垂直于 Q 光轴而被阻挡 (P、 Q 分别为起偏器和检偏器, 安装时, 它们的光轴彼此垂直。 ) , 所以 Q 没有光输出;给克尔盒加以电压时,盒中的介质则因有外电场的作用而具有单轴晶
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体的光学性质,光轴的方向平行于电场。这时,通过它的平面偏振光则改变其振动方向。 所以,经过起偏器 P 产生的平面偏振光,通过克尔盒后,振动方向就不再与 Q 光轴垂直, 而是在 Q 光轴方向上有光振动的分量,所以,此时 Q 就有光输出了。Q 的光输出强弱,与盒 中的介质性质、几何尺寸、外加电压大小等因素有关。对于结构已确定的克尔盒来说,如 果外加电压是周期性变化的,则 Q 的光输出必然也是周期性变化的。由此即实现了对光的 调制。 泡克耳斯盒里所装的是具有泡克耳斯效应的电光晶体,它的自然状态就有单轴晶体的 光学性质,安装时,使晶体的光轴平行于入射光线。因此,纵向调制的泡克耳斯盒,电场 平行于光轴,横向调制的泡克耳斯盒,电场垂直于光轴。二者比较,横调的两电极间距离 短,所需的电压低,而且可采用两块相同的晶体来补偿因温度因素所引起的自然双折射, 但横调的泡克耳斯盒的调制效果不如纵调的好,目前这两种形式的器件都很常用。

图 2-2:纵调的泡克耳斯电光调制器 图 2-2 为纵调的泡克耳斯电光调制器。在不给泡克耳斯盒加电压时,由于启偏器 P1 产 生的平面偏振光平行于光轴方向(M 方向)入射于晶体,所以它在晶体中不产生双折射,也不 分解为 o、e 光。当光离开晶体达到 Q 时,光的振动方向没变,仍平行于 M。因 M 垂直于 N, 故入射光被 P2(偏振方向为 N)完全阻挡,P2 无光输出。 当给泡克耳斯盒加以电压时,电场会使晶体感应出一个新的光轴 OG。OG 的方向发生于 同电场方向相垂直的平面内。由于这种电感应,便使晶体产生了一个附加的各向异性。使 晶体对于振动方向平行于 OG 和垂直于 OG 的两种偏振光的折射率不同,因此这两种光在晶 体中传播速度也就不同。当它们达到晶体的出射端时,它们之间则存在着一定的相位差。 合成后,总光线的振动方向就不再与 P2 的光轴 N 垂直,而是在 N 方向上有分量,因此,这 时 P2 则有光输出。泡克耳斯效应的时间响应也特别快,而且φ 与 U 成线性关系,所以多用 泡克耳斯盒来作电光调制器。

[实验仪器]
1.实验仪器
CA9005 系统控制主机 光学平台 600mm x 300mm 半导体激光器 光电探测器 电光调制器 偏振滤波器 1台 1只 1只 1只 1只 2只 一维平移台 二维调整架 支架 器件箱 紧固工具 连接线缆 1只 1只 5只 1只 1套 1套

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2.仪器安装光路图

图 2-3:LiNbO3 晶体静态特性曲线测量光路图 3.实验仪器装置图

图 2-4:LiNbO3 晶体静态特性曲线测量装置图

[实验内容及步骤]
1.按图 2-3 所示结构放置各光学器件,并调节支架高度至各光学器件等高同轴。 2.将 635nm 半导体激光器控制电缆连接至 LD1,设置 LD1 工作模式为 ACC,设置驱动电 流 Ic 为 30mA。 3.将 LiNbO3 晶体控制电压驱动端连接至高压信号源输出 HV+和 HV-。 4.将 Si-PD 信号输出连接至 PD.IN,测量时注意选择合适量程。 5.将 LiNbO3 晶体从测试光路中移开,将起偏器偏振方向调至与水平面成 45°角,将检 偏器调至与其正交。再将 LiNbO3 晶体放回测试光路,调节其空间位置和倾斜角度, 使入射光束与其表面垂直。 6.从 0V 开始设置 HVS 输出电压 V,记录 PD 读数 P。 7.0V 至 400V 每隔 10V 测一个点,记录相应的电压 V 和光强 P,测量完毕后 HVS 置零。 8 保持光路不变,将 HV+和 HV-端口处两线交换。 9.0V 至-400V 每隔 10V 测一个点,记录相应的电压 V 和光强 P,测量完毕后 HVS 置零。 10.重复上述过程两次,共测得三组数据。 11.对各电压处的光强数据求平均,并作归一化处理,求得相对光强 I,作 I~V 曲线, 求该 LiNbO3 晶体半波电压。

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附:CA9005 主机功能简介及操作说明 信息光电子综合实验系统适用于信息光电领域各专业的实验教学。 实验系统分为主机和 模块式光电子器件两大部分。 主机提供本系统各器件的控制和测量功能, 实验参量通过仪器 面板进行数字化控制,有较高的测量线性度、精度和稳定性。模块式光电子器件可以根据实 验需要被组合成不同的系统结构以进行不同的实验测量。 一、 主机结构

上图为主机面板示意图, 左半部分为各种光电控制接口, 右半部分为彩色液晶显示窗口 和控制键盘。光电控制接口名称如下: 1. 函数信号发生器输出 (SIG) 2. 低压电源输出 (LVS) 3. 低压电源地 (GND) 4. 高压电源输出 (HV+) 5. 高压电源地 (HV-) 6. 半导体激光器调制信号输入 (MOD1) 7. 半导体激光器控制信号输出 (LD1) 8. 半导体激光器控制信号输出 (LD2) 9. 半导体激光器调制信号输入 (MOD2) 10. 光功率计输入 (OPM) 11. 光电传感器信号输入 (PD) 12. 光电传感器信号输出 (SOUT) 13. 光谱分析器控制信号输出 (OSA) 14. 光电探测器/PCM 编码器/误码分析器时钟输入 (COD.IN,根据实验需要选装) 15. 光电探测器/PCM 编码器/误码分析器数据输出 (COD.OUT,根据实验需要选装) 16. 光电探测器/PCM 解码器/误码分析器数据输入 (DEC.IN,根据实验需要选装) 17. 光电探测器/PCM 解码器/误码分析器时钟输出 (DEC.OUT,根据实验需要选装) 18. +12V 辅助电源输出 (DC1) 19. +15V 辅助电源输出 (DC2) 彩色液晶显示屏用于显示各实验模块参数和测量数据,并可显示自动测量模式所得曲 线。全屏分四个区域: 顶部为测量数据显示区,主要显示光功率计(OPM)、光电信号检测器(PD)以及误码分析 器(BERT)的测量结果,其右侧顶部第一个 键用于切换显示 OPM/PD 数据或 BER 数据。
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底部为模块选择区,依次为:SIG、DCS、LD1、LD2、OSA、ESA、GRP,其下各键可以选 择对应模块进行参数设定,当前模块名称以红色显示。 中左为自动测量绘图区,用于显示图形记录仪模式(GRP)下所得到的实验曲线。 中右为实验参数控制区,用于显示当前模块的各项参数,按其右侧各 键可选择该参 数进行控制。以红色显示的参数条用于监控该模块的状态数据,不能编辑,例如半导体激光 器的输出功率和管芯温度。 各模块功能及参数如下: 1.函数信号发生器 (SIG) 函数信号发生器可以输出直流电压(DCS)、方波(SQU)、三角波(TRI)、正弦波(SIN) 和脉冲信号(PUS)。 方波、 三角波、 正弦波函数信号的输出频率(Fs)和幅度(Vs)可调, 频率最大范围 0.1Hz~ 20MHz,幅度调节范围 0~10V。该数据为参考值,如需精确测量,可结合其它仪表进行。脉 冲信号的脉宽及周期固定,脉宽 4uS,周期 200uS,最大输出幅度 10V 该模块参数表: SIGWAV:输出波形,可选:DCS(直流)、SQU(方波)、TRI(三角波)、SIN(正弦波)、 PUS(脉冲); BAND:信号波段,可选:Hz、kHz、MHz; Fs:信号频率,连续可调,数值范围 0.0~125.0; Vo:信号幅度,连续可调,数值范围 0.0~10.0V; 2.可调直流电源 (DCS) 直流电源包括低压电源(LVS)和高压电源(HVS)。 低压电源(LVS)可输出 0~15 电压,最大输出电流 5A; 高压电源(HVS)可输出 0~+400V 电压,最大输出电流 10mA。 该模块参数表: LVS:低压电源输出电压,连续可调,LVS 数值范围 0.0~15.0V; HVS:高压电源输出电压,连续可调,HVS 数值范围 0.0~400.0V; 3.半导体激光器控制 (LDC) 有两路相同的 LDC,用于控制半导体激光器的工作电流和工作温度,同时监控半导体激 光器的输出功率和温度。LDC 可以工作于恒流驱动(ACC)、模拟调制(OAM)、数字调制(ODM) 三种工作模式。 恒流驱动模式可以控制激光器产生稳定的激光输出,驱动电流(Ic)可调。 模拟调制模式可以控制激光器产生输出光强受输入模拟信号调制的激光输出, 调制系数 (Ic:mA/5V)可调。最大调制电压 5V。 数字调制模式可以控制激光器产生输出光强受输入数字信号调制的激光输出, 脉冲电流 (Ic)可调。最大调制电压 5V。 对于具有温控装置的半导体激光器, 该控制器还可以控制激光器的工作温度(Tc), 使其 稳定于设定温度附近。 该模块参数表: LDCMOD:工作模式,可选:OFF(关闭)、ACC(恒流)、OAM(模拟调制)、ODM(数字 调制); Ic:工作电流,连续可调,数值范围 0.0~400.0mA; Tc:工作温度,连续可调,数值范围-50.0~+50.0℃; Po:输出功率,监控数据;
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Tr:管芯温度,监控数据;

4.光功率计/光电传感器 (OPM/PD) 光功率计用于测量由光纤输入的光功率值,有 mW 和 dBm 两种数据模式。 光电传感器用于测量光电传感器的信号电压、 信号电流或相应的光功率值, 有直流电压 表/VM、微电流计/AM、光功率计/mW 和光功率计/dBm 四种测量模式。 该模块参数表: OPMMOD:数据模式,可选:OPM/mW、OPM/dBm、PD/VM、PD/AM、PD/mW、PD/dBm; RATIO: 量程,有七档量程可供切换:10mW、1mW、100uW、10uW、1uW、100nW、10nW。 5.光谱分析器 (OSA) 光谱分析器外置,用于测量输入光信号的光谱分布,波长测量范围 1000nm-1800nm。光 谱分析器的控制电缆需连接至 OSA 端口。 6.编解码分析器 (ESA) 编解码分析器可工作于双模拟接收器(ARX)、模拟/数字接收器(ADRX)、双数字接收器 (DRX)、A 律 PCM 编解码器(PCM-A,根据实验需要选装)、μ 律 PCM 编解码器(PCM-u,根 据实验需要选装)、误码分析器(BERT,根据实验需要选装)等模式。 在 ARX 模式下,COD 和 DEC 工作于模拟接收器模式,PD1RTO、PD2RTO 用于调节各通道的 倍率,VS1、VS2 用于调节各通道的输出偏移。 在 ADRX 模式下,COD 工作于模拟接收器模式,PD1RTO 用于调节倍率,VS1 用于调节输 出偏移,DEC 工作于数字接收器模式,PD2RTO 用于调节倍率,VS2 用于调节比较器阈值。 在 DRX 模式下, COD 和 DEC 工作于数字接收器模式, PD1RTO、 PD2RTO 用于调节倍率, VS1、 VS2 用于调节比较器阈值。 在 PCM 模式下,COD 为 PCM 编码器,DEC 为 PCM 解码器。 在 BERT 模式下, 发送时钟由 COD.IN 输入, 伪随机码 COD.OUT 输出, 接收数据由 DEC.IN 输入,接收时钟由 DEC.OUT 输出。接收时钟在主机内部由发送时钟经数字延时产生,延时量 可通过调节 SIG 菜单中的 DELAY 项来改变。 7.图形记录仪 (GRP) 图形记录仪用于控制所设定参数自动增加或减小,同时以图形显示 OPM 或 PD 的数据变 化。可自动递增或递减的参数有:函数信号频率(SIG_Fs)、函数信号幅度(SIG_Vo)、低压电 源幅度(LVS_Vo)、高压电源幅度(HVS_Vo)、激光器工作电流(LD1_Ic 和 LD2_Ic)、光谱分析 器波长(OSA_WL)。 该模块参数表: GRPMOD:递增或递减参数,可选:函数信号频率(SIG_Fs)、函数信号幅度(SIG_Vo)、低 压电源幅度(LVS_Vo)、高压电源幅度(HVS_Vo)、激光器工作电流 (LD1_Ic 和 LD2_Ic)、光谱分析器波长(OSA_WL); X1:起始值,连续可调; X2:终止值,连续可调; dX:递增或递减量,连续可调; RUN:运行控制,按其右侧 键可启动或终止该过程,参数值对应为 START 或 STOP。 二、 操作方法: 本仪器使用 AC220V/50Hz 电源,最大功耗 200W, 适用环境温度范围 25±10℃,适用环

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境湿度范围 35%~65%。 按照实验指导书的相关步骤进行器件选择和系统连接,检查无误后打开电源。 1. 模块选择:

按显示屏下方各键选择,当前模块名称以红色显示。
2. 参数选择:

按显示屏右侧各 键选择,当前参数以绿色背景条显示。蓝色参数可调节, 红色参数为状态监控数据,不可调节。
3. 参数调节: 按“Enter”键进入输入状态,对应参数条出现闪烁光标,转动调节旋钮,数据增加或 减小,实时生效。按“←”或“→”可改变闪烁光标位置。对于数值型参数,也可直接按数 字键盘输入数据。再次按“Enter”键可确认键盘输入数据有效并退出输入状态,按“Esc” 键放弃。推按调节旋钮等同于按“Enter”键。 4. 测量数据选择: 显示屏顶部区域显示 OPM/PD 或 BERT 的测量结果,按右侧顶部第一个 OPM/PD 数据和 BER 数据。 键可切换

5. 自动测量: 设置 GRPMOD 选择自动递增或递减的参数,调节 X1 设置起始值,调节 X2 设置终止值, 调节 dX 设置递增或递减量。检查系统状态无误后,按“RUN/START”参数对应 键,自动 测量过程开始,绘图区内显示测量曲线。按“RUN/STOP”参数对应 键可终止该过程。 三、 注意事项: 1. 所有线路连接无误后方可打开主机电源,连接或断开相关模块的连接电缆前必须将相 应的电压或电流调节至零。 2. 本仪器开机后相关实验模块可能含有可见或不可见激光辐射,操作人员不可直视各发 光器件、光纤头或连接器,以免灼伤。 3. 光纤或光缆极易断损,操作时务必谨慎,必须轻拿轻放,不可强拉硬拽,不可压以重 物。所有光纤均不可过于弯曲,除特殊测试外其曲率半径应大于 30mm。 4. 光纤连接器陶瓷插芯端面经过精密研磨,表面光洁度要求极高,除专用光纤清洁布外 禁止手指或其它物品接触端面,以免连接器端面划伤。空置的光纤连接器端子必须插 上护套。 5. 卤素光源工作时外壳温度较高,请注意避免灼伤。 6. 部分实验模块光学芯片或电路外露,请注意保护,静止任何物体触碰,以防损坏。 7. 本仪器开机后相关实验模块可能带有高电压,请谨慎操作,避免触电。

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